Bài giảng Công nghệ sản xuất thức ăn công nghiệp - Chương 3: Chế biến nguyên liệu thức ăn chăn nuôi - Lê Việt Phương

CHẾ BIẾN NGUYÊN LIỆU THỨC ĂN CHĂN NUÔI Chương 3 I. Các phương pháp chế biến nguyên liệu thức ăn 1. Mục đích Giảm độ thô cứng; Tăng độ ngon miệng; Tăng tiêu hoá, hấp thu chất dinh dưỡng của TĂ; Loại trừ các chất kháng dinh dưỡng (ANF) và các tác nhân có hại trong thức ăn; Tăng giá trị sinh học của protein; Cân đối các chất dinh dưỡng. 2. Phân loại Có 3 phương pháp cơ bản thường để chế biến nguyên liệu thức ăn chăn nuôi:  Phương pháp biến đổi cơ học;  Phương pháp xử lý nhiệt;  Phương pháp biển đổi độ ẩm. Phương pháp chế biến Phương pháp chế biến khô Phương pháp chế biến ướt Phương pháp Năm Phương pháp Năm Nghiền (Grinding) 1840 Ngâm (Soaking) Ép vỡ (Cracking) 1930 Nấu Ép viên (Pelletting) 1957 Lăn hơi (lúa mạch) 1930 Ép đùn (Extrusion) 1966 Nổ hơi (Steam flaking) 1950 Nổ (Popping) 1966 Ủ silô 1958 Vi sóng (Micronizing) 1970 Lăn nấu áp suất cao (Pressure cooker-roll) 1966 Rang 1975 Nổ bung (cao lương) 1972 2.1. Phương pháp biến đổi cơ học 2.1.1. Bóc vỏ (dehulling)  Loại bỏ phần có giá trị dinh dưỡng thấp (vỏ trấu) → tăng giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu TĂ;  Giảm hoặc loại bỏ làm các phần, hợp chất không có lợi, chất kháng dinh dưỡng (ANF);  Tăng tính ngon miệng, tăng khả năng tiêu hóa , hấp thu chất dinh dưỡng ở động vật. Thành phần hóa học của một số nguyên liệu TĂCN (VCN 2001) Thành phần hóa học Nguyên liệu TACN Thóc tẻ Gạo lức Gạo tẻ Protein thô (%) 7,41 8,61 8,38 Lipit thô (%) 2,2 2,3 1,5 Xơ thô (%) 10,49 0,6 0,6 DXKN (%) 63,04 73,57 75,81 Khoáng TS (%) 5,09 1,30 1,00 Năng lượng (kcal ME/kg) 2687 3271 3283 Cấu trúc vỏ hạt cải dầu Thành phần Loại nguyên liệu Hạt Nhân Vỏ KD nguyên vỏ KD nhân VCK, % 91.9 93.4 14.3 93.3 93.5 Dầu (%/DM) 47.7 53.3 12.0 1.0 1.0 Protein thô (%/DM) 21.8 24.5 15.2 40.7 44.2 Xơ thô (%/DM) 8.1 2.7 32.3 15.2 6.4 Khoáng TS 4.7 4.7 6.6 8.5 9.7 NDF (%/DM) 14.9 5.27 50.7 30 11.2 ADF (%/DM) 11.2 3.3 41.8 22.5 6.7 ADL (%/DM) 5.9 0.3 23.1 11.1 0.9 Thành phần hóa học của hạt cải dầu và khô dầu Nguồn: CETIOM CREOL / N29 (INRA seeds “temoin”, Feedbase) Nhân hạt : 87% - Vỏ: 13 % Thành phần Loại hạt Hạt Nhân Vỏ KD nguyên vỏ KD nhân VCK, % 92.8 90.5 88.8 90.5 Dầu (%/VCK) 48 61.25 2.5 2.2 1.2 Protein thô (%VCK) 16.7 20.6 6.2 31.9 52.6 Xơ thô (%VCK) 17.3 2.4 57.6 28.1 6.2 Khoáng TS (%/VCK) 3.5 3.6 3.2 7.05 9.24 NDF (%/VCK) 26.6 5.4 83.9 45.1 13.7 ADF (%/VCK) 19.5 2.7 64.9 32 7 ADL (%/VCK) 6.3 0.4 22.3 10.5 0.9 Thành phần hóa học của hạt hướng dương và khô dầu Nhân hạt : 75% - Vỏ: 25 % Cấu trúc vỏ hạt hướng dương Hàm lượng độc tố trong vỏ và thịt củ Nguồn: Phạm Sỹ Tiệp, 1998. Phần củ khoai tây Hàm lượng Solanine (mg/100g) Vỏ củ 20 - 100 Thịt củ 0,1 – 4,5 Thiết bị bóc vỏ 1. Máy bóc vỏ kiểu CETIOM  Máy có một cánh quạt ly tâm,  Hạt được cung cấp ở trung tâm;  Trên một đĩa quay có các kênh tỏa về phía rìa đĩa  Bằng lực ly tâm, hạt bị văng đập vào thành của thiết bị làm cho vỡ vỏ.  Do khối lượng của nhân và vỏ khác nhau nên bị thổi tách ra Sơ đồ cấu trúc máy kiểu CETIOM 2. Máy bóc vỏ trục cuốn  Hạt cần bóc được đưa nhanh qua 2 trục cuốn, quay đồng thời nhưng với hướng ngược nhau;  Khoảng cách giữa 2 trục được điều chỉnh phù hợp với kích thước hạt thường được điều chỉnh khoảng 0,6 mm ;  Hạt cần được phân loại đồng đều kích thước ;  Hạt cần được sấy khô để dễ tróc vỏ; 3. Máy bóc vỏ kiểu mài  Thường để làm trắng gạo;  Thóc được mài trong thiết bị quay có mặt nhám;  Trấu bị loại bỏ bằng cách mài mòn;  Có thể điều chỉnh tỷ lệ cám bị bóc bằng cách điều chỉnh tốc độ quay tốc độ cấp nguyên liệu. Đĩa mài Cấu tạo máy bóc vỏ kiểu mài Chi tiết máy bóc vỏ kiểu mài Hiệu quả bóc vỏ của máy bóc vỏ kiểu mài Cao lương trong 4 phút Lúa mì trong 6 phút R.D. Reichert và cs., 1986 4. Thiết bị bóc vỏ kiểu va đập  Sử dụng phổ biến nhất để bóc vỏ hạt hướng dương  Gồm Rotro gắn các lưỡi dao quay, lực ly tâm làm bắn hạt vào vách buồng bóc hạt của máy. Sự va đập làm tróc vỏ hạt;  Do khối lượng vỏ và nhân hạt khác nhau nên bị gió thổi ra theo hai cửa khác nhau. Máy bóc vỏ kiểu va đập Rotro Stator gợn sóng 5. Sử dụng hồng ngoại hoặc vi sóng  Sử dụng bức xạ làm bay hơi nhanh chóng nước ở bề mặt của nhân hạt → vỏ dễ bong  Dùng dòng khí nén (áp lực cao) để tách vỏ và hạt.  Được dùng để bóc vỏ quả óc chó, hạt dẻ và hạnh nhân. 2.1.2. Ép đùn (Extrusion) Ép đùn là một quá trình chế biến nguyên liệu thức ăn dưới áp suất, độ ẩm và nhiệt độ cao.  Sử dụng máy ép với trục vít, dưới áp suất cao và lực ma sát, nguyên liệu nóng lên trong thời gian 15-20 giây.  Nghiền nhỏ (làm vỡ hạt nguyên liệu),  Phá vỡ, cắt ngắn kết cấu xơ,  Trộn đều,  Hydrat hóa,  Xử lý nhiệt → phá hủy một số hợp chất độc hại (ANF, độc tố nấm mốc, glycinin và β-conglycinin);  Hồ hóa → tinh bột dễ tiêu hóa,  Biến tính protein, Tác động của ép đùn đến nguyên liệu:  Diệt các vi sinh vật,  Tạo hình,  Làm giãn nở nguyên liệu,  Thay đổi kết cấu của thức ăn (tinh bột),  Làm khô nguyên liệu (bay hơi một phần nước)  Ép đùn đỗ tương ở nhiệt độ 154oC cho tỷ lệ tiêu hoá cao nhất ở gia cầm Tế bào đỗ tương sống Vách tế bào đỗ tương ép đùn PP chế biến ME biểu kiến N tích lũy %MJ/kg Kcal/kg Sống * 13.5 3227 30 Ép đùn ướt * 17.9 4278 54 Ép đùn khô * 17.4 4159 59 Sấy cận hồng ngoại * 15.4 3680 48 Rang * 14.7 3513 61 * Toasted 15.6 3728 57 Xử lý nhiệt ** 13.8 3300 - Nguồn: *Wiseman, 1994; **NRC Poultry, 1994 ME biểu kiến và tích lũy nitơ ở gà 2,5 tuần tuổi ăn đậu nành chế biến bằng các phương pháp Nguồn: Mian N. Riaz, 2009 Ảnh hưởng của nhiệt độ ép đùn đến hàm lượng Fumonisin B T reatment R ang S ấy k hô É p đùn S ống Số gà thí nghiệm (con) 1 20 120 1 20 1 20 Tỷ lệ đẻ (%) 7 7.29b 7 7.82ab 8 0.14a 5 3.84c Khối lượng trứng, g 6 0.75b 6 2.30a 6 1.21b 5 8.10c Đơn vị Haugh 7 1.04b 7 0.51b 7 1.31b 7 8.66a Thức ăn thu nhận, g/ngày 1 04.4a 1 02.7a 9 8.9b 8 7.0c Chi phí thức ăn (g/ trứng) 1 35.2b 1 32.5b 1 23.5a 1 64.0c Ảnh hưởng của chế biến đỗ tương đến năng suất gà đẻ Nguồn: Waldroup and Hazen (1978) Sơ đồ quy trình ép đùn nguyên liệu Chuyển động của nguyên liệu trong máy ép đùn Đầu thoát sản phẩm với dao cắt Đỗ tương ép ướt nguyên dầu Hệ thống ép đùn 2.1.3. Nghiền (Grinding):  Dễ trộn đều các thành phần của hỗn hợp thức ăn;  Phá vỡ cấu trúc hạt → giúp dịch tiêu hóa thấm đều hơn vào các thành phần → tăng tỷ lệ tiêu hóa thức ăn. Mục đích:  Thường được dùng để nghiền nguyên liệu có độ ẩm và hàm lượng dầu thấp (ngô, thóc, gạo, cao lương, lúa mì, mạch)  Trục động cơ được gắn với các thanh gá búa  Búa với đầu bằng hoặc hình răng cưa được nối linh động với thanh gá. Nghiền búa  Sự sắp xếp, kích thước, độ sắc và số lượng búa trên một trục xoay, tốc độ quay của trục phụ thuộc vào yêu cầu độ mịn của sản phẩm.  Nguyên liệu bị đập vỡ bằng hệ thống búa đập. Độ mịn của sản phẩm còn phụ thuộc vào loại hạt, độ ẩm của hạt, kích cỡ mắt sàng, tốc độ dòng hạt cung cấp Máy nghiền búa Ngô nghiền  Thường dùng để nghiền các hạt có độ ẩm và hàm lượng lipit thấp;  Hạt bị làm vỡ, bị cán mỏng và nghiền nhỏ bởi các trục lăn trong máy nghiền.  Trục lăn có thể ở dạng phẳng hoặc khía rãnh;  Độ nhỏ của sản phẩm phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc nguyên liệu và tốc độ vòng quay của trục lăn. Nghiền trục lăn: Sơ đồ cấu trúc máy nghiền trục lăn Máy nghiền trục lăn Ngô ép vỡ (cracked corn) 2.2. Phương pháp xử lý nhiệt 2.2.1. Xử lí nhiệt khô:  Sấy cận hồng ngoại (Micronizing)  Nguyên liệu được đặt thành lớp trên băng tải chạy liên tục dưới một nguồn bức xạ có bước sóng từ 1,8 – 3,4 µm.  Bức xạ cận hồng ngoại làm các phân tử trong nguyên liệu dao động mạnh với tần số 80-170 triệu beet /giây → nguyên liệu nóng lên nhanh → nước bay hơi nhanh chóng.  Tác động của sấy cận hồng ngoại đến nguyên liệu:  Giảm độ ẩm trong nguyên liệu;  Tăng hàm lượng protein thô trong nguyên liệu sau xử lý;  Suy giảm hàm lượng axit amin thiết yếu; Ảnh hưởng của sấy cận hồng ngoại đến nguyên liệu Nguồn: LUNG-CHINTSAI, 1972 Ảnh hưởng của sấy cận hồng ngoại đến hạt cao lương Nguồn: LUNG-CHINTSAI, 1972  Rang chín  Thường được áp dụng với hạt cây họ đậu;  Hạt được quay trong 1 khoang kim loại chuyển động và được cung cấp nhiệt từ than hoặc gas.  Nhiệt độ của hạt đạt khoảng 130-150oC trong khoảng 2-3 phút.  Do nhiệt độ xử lý cao, chất kháng dinh dưỡng như Kunitz, Bowman Brick, lectin bị phá hủy.  Tăng tỷ lệ tiêu hóa, hấp thu chất dinh dưỡng; C hỉ tiêu Đỗ tương S ống R ang Số gà thí nghiệm (con) 1 20 1 20 Tỷ lệ đẻ (%) 5 3.84c 7 7.29b Khối lượng trứng, g 5 8.10c 6 0.75b Đơn vị Haugh 7 8.66a 7 1.04b Thức ăn thu nhận, g/ngày 8 7.0c 1 04.4a Chi phí thức ăn (g/ trứng) 1 64.0c 1 35.2b Ảnh hưởng của rang đỗ tương đến năng suất gà đẻ Nguồn: Waldroup and Hazen (1978)  Là phương pháp làm giãn nở và phá vỡ hạt bằng nhiệt độ cao (150oC) và áp suất cao.  Khi xử lí, hạt bị biến đổi tính chất lí-hoá và sau đó hình thành nên “hạt nổi”.  Trong thiết bị, hạt nghiền dưới tác động của áp suất và nhiệt ma sát cao biến thành 1 khối đồng nhất.  Ở đầu ra của thiết bị, áp suất giảm đột ngột gây ra hiện tượng “nổ”. Kết quả là khối đồng nhất phồng lên và hình thành sản phẩm có cấu trúc xốp. Nổ bỏng (popping): 2.2.2. Xử lí nhiệt hơi  Nguyên liệu được xử lý bằng áp suất và nhiệt độ cao;  Là phương pháp có hiệu quả làm tăng tỷ lệ hấp thu tinh bột;  Với hạt cây họ đậu thì hấp trong nồi áp suất (với áp suất cao) có hiệu quả hơn khi nấu (tăng sinh trưởng, giảm hoạt lực các chất kháng dinh dưỡng, chất có hại).  Hạt phải chịu tác động của hơi nước nóng trong khoảng thời gian 3-5 phút,  Sau đó hạt được nghiền bằng trục lăn;  Sản phẩm tạo ra ít bụi hơn so với nghiền;  Phương pháp này cho sản phẩm dễ tiêu hóa, hấp thu hơn. Hấp cán (steam rolling): Hấp chín áp suất cao (pressed cooking)  Đầu tiên, hạt được hấp chín ở nhiệt độ khoảng 140oC và áp suất 3 kg/cm2.  Sau đó, nguyên liệu được làm mát cho đến nhiệt độ 90oC, độ ẩm 20%  Cuối cùng, nguyên liệu có thể được cán và nghiền bằng trục lăn. Phương pháp chế biến Giống đỗ tương Giza 21 Giza 35 - Đỗ tương sống (đối chứng) 0.625 0.463 - Ngâm 6 giờ 0.535 0.452 12 giờ 0.520 0.450 18 giờ 0.500 0.435 - Nẩy mầm 40 giờ 0.485 0.420 60 giờ 0.470 0.415 - Nấu thông thường: Không ngâm 0.465 0.382 Có ngâm 0.460 0.373 - Hấp trong nồi áp suất Không ngâm 0.435 0.350 Có ngâm 0.423 0.335 Ảnh hưởng của các phương pháp chế biến đến hàm lượng axit phytic (%) trong đỗ tương Nguồn: Ramadan E. A., 2012  Hạt được hấp chín trong điều kiện có hơi nước ở áp suất và nhiệt độ cao (15 kg/cm2, 200oC trong 20 giây).  Dưới áp suất và nhiệt độ cao hạt bị trương phồng sau đó giãn nở tối đa Phương pháp làm giãn nở (exploding) Ép viên (pelleting)  Thường dùng ép viên nhiều loại nguyên liệu, thức ăn ở dạng bột như cám, bột sắn, bột cỏ (alfalfa);  Nguyên liệu được phun hơi nước nóng để đưa nhiệt độ và độ ẩm lên cao.  Nhờ sức ép của trục vít lên xyranh, viên TĂ được hình thành và được cắt thành viên khi chui qua khuôn. Ảnh hưởng của công nghệ chế biến đến năng lượng tiêu hóa (DE) của thức ăn Nguồn: INRA data Nguyên liệu, thức ăn Số mẫu Công nghệ P Nghiền Ép viên Khẩu phần SBM-lúa mì 2 88.6 89.2 * Khẩu phần SBM- Ngô 3 88.4 90.3 ** Ngô 5 87 90 ** Hạt cải nguyên dầu - 35 83 ** Hạt lanh (ép đùn) - 51 84 **  Lựa chọn phương pháp chế biến phụ thuộc vào: Lựa chọn phương pháp chế biến  Mục đích sử dụng nguyên liệu;  Đặc điểm của từng loại nguyên liệu (phương pháp chế biến có thể thích hợp với loại nguyên liệu này, nhưng lại có thể làm giảm hiệu quả sử dụng với loại nguyên liệu khác);  Ngô có thể sử dụng không qua xử lí nhưng cao lương thì bắt buộc phải xử lí  Phương pháp xử lý bằng áp suất rất thích hợp với cao lương nhưng lại không phù hợp với lúa mì Ví dụ:  Một loại nguyên liệu có thể được áp dụng một hoặc nhiều phương pháp chế biến khác nhau; II. Các phản ứng xảy ra trong quá trình chế biến nguyên liệu 2.1. Quá trình gelatin hóa (hồ hóa)  Xảy ra trong môi trường độ ẩm và nhiệt độ cao (60-80oC) các hạt tinh bột bị trương phồng và không trở lại hình dạng ban đầu;  Hạt tinh bột mất đi cấu trúc tinh thể, liên kết hydro giữa amylose và amylopectin bị phá vỡ;  Là quá trình hồ hóa/làm chín tinh bột. 2.2. Phản ứng Maillard  Khi chế biến nguyên liệu bằng nhiệt độ cao, có thể xảy ra phản ứng Maillard giữa các chất dinh dưỡng:  Hydrat cacbon (glucose) liên kết với axit amin tự do (lysine, arginine, histidine, tryptophan với glucose tạo thành hợp chất màu nâu bền vững,  Hậu quả: giảm giá trị dinh dưỡng, mất hương vị, giảm tính ngon miệng, giảm tiêu hóa.  Xảy ra trong quá trình bảo quản, chế biến các nguyên liệu nhiều dầu mỡ đã qua sơ chế (ngô nghiền, cám gạo...)  Các nguyên liệu này chứa các axit béo chưa bão hòa rất dễ bị oxy hóa làm thay đổi chất lượng, mùi, vị, giảm giá trị dinh dưỡng, mất tính ngon miệng (dầu mỡ bị ôi). 2.3.1. Hậu quả của quá trinh oxi hóa lipid 2.3. Sự oxi hóa và phân hủy nhiệt lipid  Ánh sáng: thường là tác nhân đầu tiên gây ra sự tạo gốc tự do trong sản phẩm.  Các kim loại: cũng là tác nhân tạo ra gốc tự do.  Oxy  Các enzyme: lipase, lipoxygenasa; 2.3.2. Điều kiện xảy ra quá trình oxi hóa lipid  Ánh sáng gây ra sự tạo gốc tự do trong sản phẩm, các gốc tự do tiếp tục hoạt động tạo các sản phẩm thứ cấp  Oxy trong môi trường gây ra oxy hóa rất nhanh, phá hủy các liên kết trong phân tử axit béo, sinh ra những chất như hydroperoxit...  Hydroperoxit không có mùi vị nên không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, 2.3.3. Quá trình tự oxi hóa (autooxidation)  Khi hydroperoxit phân hủy tạo ra các sản phẩm thứ cấp thì chất lượng dầu, mỡ sẽ bị ảnh hưởng.  Lipoxygenasa tác động chủ yếu tới vị trí pentadien của axit béo chưa no tạo ra các gốc tự do.  Lipase có trong vỏ thực vật, khi có nước sẽ xảy ra quá trình thủy phân, tạo ra monoglyceride, diglyceride và các axit béo tự do → thay đổi tính chất, chất lượng. Sự oxy hóa chất béo trong quá trình bảo quản chất béo  Là những biến đổi về hình thể của protein nhưng không làm đứt gãy liên kết peptide.  Các tác nhân gây biến tính protein: 2.4. Quá trình biến tính của protein  Tác nhân vật lý: nhiệt độ, cơ học, áp suất, bức xạ;  Tác nhân hóa học: pH, các yếu tố là biến đổi điểm đẳng điện, lực ion, các dung môi hữu cơ; Dextrin hoá là quá trình cắt phân đoạn các cấu tử amylose và amylopectin bằng nhiệt độ và độ ẩm, vi sóng, nổ bỏng. Tỉ lệ tiêu hoá tăng rõ rệt. Dextrin hoá Chế biến thức ăn hạt Carbohydrate Protein Lipid Phản ứng Maillard Phản ứng Maillard Sự ôxi hóa (tự ôxi hóa) Phản ứng caramen hóa Sự tạo thành LAL/LAN (lysinoalanine/lanthionine) Sự hình thành các đồng phân cis/trans Sự hòa tan Phản ứng khử amid Sự trùng hợp (quá trình polymer hóa) Sự hình thành tinh bột dạng bền vững (resistant starch) hoặc tinh bột khó tiêu Sự tạo thành D-amino acid Sự tạo thành Iso-peptide Sự hình thành chất phản ứng Maillard